傳感器安裝位置對負載敏感液壓系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的影響

劉杰

(1.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西太原 030006；2.山西天地煤機裝備有限公司，山西太原 030006；3.煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室，山西太原 030006)

0 前言

液壓傳動系統(tǒng)是一種將壓力能轉(zhuǎn)換為機械能的工作方式，常見的液壓傳動系統(tǒng)有：定量系統(tǒng)、恒壓變量系統(tǒng)、負載敏感系統(tǒng)等。負載敏感系統(tǒng)由于壓力、流量與負載的實時匹配性而作為工程機械特別是行走機械裝備的常用系統(tǒng)[1-5]。隨著智能化裝備的飛速發(fā)展，為實現(xiàn)整套設(shè)備的自動化工作，需使用各式傳感器以構(gòu)成系統(tǒng)閉環(huán)，其中液壓系統(tǒng)的壓力、流量等也是閉環(huán)系統(tǒng)中重要的監(jiān)測環(huán)節(jié)。

本文作者針對工程實踐中出現(xiàn)的負載敏感系統(tǒng)響應(yīng)遲滯故障，經(jīng)過排查分析與實驗，探討傳感器在系統(tǒng)的不同位置對系統(tǒng)響應(yīng)的影響，以使不同工況選擇最優(yōu)的安裝位置。

1 負載敏感系統(tǒng)原理

圖1所示為負載敏感系統(tǒng)的簡化原理。其核心元件是負載敏感泵和負載敏感閥。負載敏感泵中包含負載反饋閥、壓力切斷閥、恒功率閥。由圖1可知：在負載反饋閥閥芯左端為LS口壓力+彈簧設(shè)定壓力，閥芯右端為泵出口壓力。由二力平衡可知：閥芯左端力等于閥芯右端力，因此泵出口壓力始終比LS口壓力大一個彈簧設(shè)定力，實現(xiàn)泵壓力隨反饋負載壓力的跟隨變化。

圖1 負載敏感系統(tǒng)原理

壓力切斷閥閥芯左端為彈簧設(shè)定壓力，閥芯右端為泵出口壓力。當泵出口壓力大于彈簧設(shè)定壓力時，壓力切斷閥換向，油液推動變量活塞動作，減少斜盤傾角，切斷系統(tǒng)壓力。

恒功率閥閥芯左端為彈簧設(shè)定力，閥芯右端為變量杠桿機構(gòu)活塞力。當功率未達到設(shè)定值時，泵出口壓力推動變量杠桿機構(gòu)使泵的斜盤傾角變大。當變量杠桿機構(gòu)活塞力大于彈簧設(shè)定力時，恒功率閥換向，油液推動變量活塞動作，減少斜盤傾角，使系統(tǒng)的功率值不超過最大功率。

負載敏感閥在實際使用中為多路閥，由首片、中間片、尾片組成。其中首片有進油口P、回油口R、負載反饋口LS；中間片有多路閥及測壓口X；尾片有泄油口T。多個中間片多路閥的油口壓力通過阻尼孔并經(jīng)梭閥篩選后到LS口。因此，LS口壓力即為整片負載敏感多路閥最大負載處的壓力，且流量較小，約為2 L/min。X口壓力取自單片中LS口的支路，可實現(xiàn)單片壓力的監(jiān)控，壓力流量和LS口相同，常用來連接壓力傳感器等測壓裝置。

2 故障現(xiàn)象與排查

目前研發(fā)的全自動錨索鉆架可實現(xiàn)錨索的鉆孔、抓桿、接桿、拆桿全流程的自動化操作，系統(tǒng)中集成了大量的傳感器用于閉環(huán)控制。但在設(shè)備調(diào)試過程中出現(xiàn)了夾鉗油缸響應(yīng)遲滯的現(xiàn)象。如果全系統(tǒng)中某一動作遲滯，可能影響整體自動化流程的實現(xiàn)。針對這一故障，進行了相應(yīng)的排查。

步驟1，將整個系統(tǒng)循環(huán)動作多次，調(diào)試操作2 d左右，通過不斷動作將系統(tǒng)中的氣泡排出，減少因系統(tǒng)中存在氣泡而導致的響應(yīng)遲滯。

步驟1結(jié)果：夾鉗油缸響應(yīng)仍存在遲滯。

步驟2，將控制夾鉗的多路閥油口與控制回轉(zhuǎn)油缸的多路閥油口進行更換，觀察現(xiàn)象。

步驟2結(jié)果：故障現(xiàn)象轉(zhuǎn)移，夾鉗油缸響應(yīng)遲滯現(xiàn)象消失，回轉(zhuǎn)油缸出現(xiàn)遲滯故障，可初步判斷油缸無故障，故障源于多路閥。

步驟3，油路恢復原狀，并更換多路閥上LS反饋油路的梭閥閥芯，觀察現(xiàn)象。

步驟3結(jié)果：夾鉗油缸響應(yīng)仍存在遲滯。

步驟4，拆除多路閥X口的壓力傳感器，觀察現(xiàn)象。

步驟4結(jié)果：系統(tǒng)恢復正常，夾鉗油缸遲滯現(xiàn)象消失。

通過以上步驟的排查，最終鎖定故障點源于多路閥X口的壓力傳感器，后續(xù)更換新的壓力傳感器，故障均再未出現(xiàn)。由于壓力傳感器對液壓系統(tǒng)的影響通常忽略不計，但針對此次故障現(xiàn)象，可通過進一步的實驗與分析查找根本原因，進行優(yōu)化設(shè)計。

3 實驗與分析

3.1 實驗驗證

實驗以全自動錨索鉆架的夾鉗油缸為研究對象，使用液壓系統(tǒng)測試儀進行測試，試驗現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 實驗現(xiàn)場

實驗前將整個測試儀及測試傳感器安裝在其他正常設(shè)備上，無遲滯現(xiàn)象，排除測試儀傳感器的誤差，再將測試傳感器連接在夾鉗油缸進給的高壓管路上，實時監(jiān)測負載壓力流量。

實驗一：恢復原系統(tǒng)連接順序，在多路閥上X口連接出現(xiàn)故障的壓力傳感器，循環(huán)動作夾鉗操作手柄，測得實驗曲線如圖3所示。

圖3 動態(tài)響應(yīng)曲線(故障傳感器)

如圖3所示，在0～0.6 s左右，壓力有一個上升臺階，流量為0，此時處于壓力建立階段，油缸無動作；0.6～1.2 s，壓力和流量逐漸上升，油缸開始緩慢動作；1.2～2.2 s，壓力和流量保持平穩(wěn)，油缸勻速動作；2.2～2.7 s，油缸行程到位后憋壓，壓力上升，流量下降；2.7～3.2 s，手柄回歸中位置，流量壓力歸零；3.2～4 s為油缸回程，因此檢測壓力為回油壓力，流量為回油流量；4～4.7 s手柄處于中位，流量和壓力均為0；4.7～7 s，油缸重復第一階段的動作，沒有出現(xiàn)上升臺階。

因此，第一階段的上升臺階是導致系統(tǒng)初始響應(yīng)遲滯的關(guān)鍵，開始階段由于壓力傳感器的影響導致初始建壓比較緩慢。而在動作一個循環(huán)后，短時間內(nèi)再次動作不再存在動作遲滯。

實驗二：在多路閥上X口處更換新的壓力傳感器，再次循環(huán)動作夾鉗操作手柄，測得實驗曲線如圖4所示。

圖4 動態(tài)響應(yīng)曲線(新傳感器)

由圖4可知：在多路閥的X口更換新傳感器后，整體動作流程階段相同，系統(tǒng)初始動作時也存在上升臺階。其中0～0.4 s壓力流量均為0，0.85 s后系統(tǒng)的壓力和流量才趨于平穩(wěn)，油缸勻速動作。整體動作比安裝故障傳感器時響應(yīng)快0.2 s。

實驗三：將多路閥X口處的壓力傳感器拆除，更換堵頭，循環(huán)動作夾鉗操作手柄，測試得到的實驗曲線如圖5所示。

圖5 動態(tài)響應(yīng)曲線(堵頭)

由圖5可看出：在多路閥X口處安裝堵頭，此時系統(tǒng)初始動作幾乎無響應(yīng)遲滯，不存在上升臺階。系統(tǒng)在0.3 s時開始動作，0.7 s時壓力流量趨于平穩(wěn)。

綜合圖3—5的實驗結(jié)果可知：在多路閥X口處安裝壓力傳感器，對系統(tǒng)確實存在影響。當傳感器為新傳感器時，響應(yīng)時間為0.3 s，可忽略不計；但當使用時間長或傳感器出現(xiàn)故障時，響應(yīng)時間可達0.6 s，且1.2 s時才開始平穩(wěn)動作，出現(xiàn)明顯的遲滯故障。

3.2 故障機制分析

常用的壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖6所示。油液通過阻尼孔到取壓器。取壓器中的條狀電阻可隨壓力變化而變化，并通過惠斯通電橋?qū)㈦娮璧淖兓糯鬄閴翰钭兓?，傳送至變送電路。壓差信號在變送電路中?jīng)過濾波、二次放大處理再由電氣接口進行信號傳輸[6-8]。

圖6 壓力傳感器結(jié)構(gòu)

由于實驗一至實驗三中所有的響應(yīng)遲滯故障均出現(xiàn)在首次動作時，所以壓力傳感器的電氣部分無重大故障，因此可判斷故障現(xiàn)象與壓力傳感器的阻尼孔有關(guān)。

查詢相關(guān)資料[9-12]，根據(jù)孔口流量公式：

(1)

式中：q為流經(jīng)小孔的流量，m3/s；Cd為流量系數(shù)；A0為小孔截面積，m2；Δp為小孔前后壓差，MPa；ρ為油液密度，kg/m3。

由圖6可知，壓力傳感器內(nèi)部相當于有一個小腔體用于容納負載壓力油。在系統(tǒng)初始動作時小腔體內(nèi)無油液存在。系統(tǒng)動作時多路閥LS口的油液通過壓力傳感器阻尼孔充滿傳感器小腔體，充滿的過程即為實驗時的上升臺階。

根據(jù)公式(1)可知：在油液密度不變、流經(jīng)小孔的流量不變時，流量系數(shù)和小孔截面積影響小孔前后壓差大小即壓損大小，而流量系數(shù)取決于小孔的形狀。由于傳感器長時間使用以及油液中的細小顆粒磨損，導致壓力傳感器阻尼孔處形狀變化，從而使系統(tǒng)初始階段即上升臺階過程中壓損增大。

在動作完一個循環(huán)后，壓力傳感器的取壓器、阻尼孔以及油缸、管路內(nèi)均已充滿油液，無需再進行建壓，壓力傳感器為靜壓狀態(tài)。因此，短時間內(nèi)動作第二次無遲滯現(xiàn)象。

3.3 改進措施

根據(jù)上述分析，所有的壓力傳感器連接到多路閥X口均存在系統(tǒng)動作初期的上升臺階過程。多路閥X口處流量約為2 L/min，為改善其初始階段的建壓性能，可提高測壓點處的流量，以彌補建壓損失，提高建壓時間。

實驗四：將夾鉗油缸A、B口與梭閥連接，然后串接原有故障壓力傳感器。循環(huán)動作夾鉗操作手柄，測得實驗曲線如圖7所示?？煽闯觯捍藭r壓力傳感器的測壓點為夾鉗油缸A、B口(流量約為8 L/min)，系統(tǒng)響應(yīng)變快，在0.4 s開始動作，0.8 s后系統(tǒng)的壓力和流量趨于平穩(wěn)，油缸勻速動作。此時原有故障壓力傳感器與實驗二中新傳感器的動態(tài)響應(yīng)接近。

圖7 動態(tài)響應(yīng)曲線(改變安裝位置)

4 結(jié)論

文中針對工程實踐中遇到的負載敏感系統(tǒng)響應(yīng)遲滯故障，通過故障排查、實驗驗證、故障機制分析、改進措施驗證等方法進行分析，最終結(jié)論如下：

(1)在負載敏感液壓系統(tǒng)中，多路閥X口處連接壓力傳感器時，隨著使用時間增長和磨損增加，傳感器會影響執(zhí)行機構(gòu)的響應(yīng)特性，遲滯時間最大可達0.6 s。其影響原因與傳感器阻尼孔磨損和負載反饋流量小有關(guān)。

(2)可根據(jù)不同的工況選擇不同的安裝方式：當系統(tǒng)的傳感器監(jiān)測點不作為閉環(huán)控制中的一部分時，可將傳感器接多路閥X口，方便且節(jié)省空間；當系統(tǒng)中傳感器監(jiān)測點需要與下一動作形成閉環(huán)控制且對響應(yīng)時間有較高要求時，可將傳感器連接多路閥A/B口，系統(tǒng)響應(yīng)快但需增加使用元件和布置空間。